【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 DNA含有兩條或兩條以上具有螺旋結(jié)構(gòu)的多核苷酸鏈。 用高度定向的 DNA纖維得到的高質(zhì)量 X光衍射照片 關(guān)于堿基成對(duì)的證據(jù) Chargaff等應(yīng)用層析法對(duì)多種生物 DNA的堿基組成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn) DNA中腺嘌呤和胸腺嘧啶的數(shù)目基本相等，胞嘧啶 (包括 5甲基胞嘧啶 )和鳥嘌呤的數(shù)目基本相等，這一規(guī)律被稱作 Chargaff規(guī)則 (Chargaff‘s rules)。后來又有人證明腺嘌呤和胸腺嘧啶之間可以生成 2個(gè)氫鍵，胞嘧啶和鳥嘌呤之間可以生成 3個(gè)氫鍵。 DNA的滴定曲線 從 pH7用鹽酸滴定到 pH2，用 NaOH滴定到 pH12，可得到圖 215的曲線 I。在 pH4～ 11之間，只要加入少量的酸或堿， pH就發(fā)生明顯變化，說明這一 pH區(qū)段無可滴定基團(tuán)，由于這一 pH范圍是第二磷酸基的解離范圍，這一結(jié)果說明 第二磷酸基處于結(jié)合狀態(tài) ，表明核苷酸之間是通過磷酸二酯鍵連接的。在 pH小于 ，加入一定量的酸不會(huì)引起 pH的明顯變化，這是堿基的 N原子結(jié)合 H+的結(jié)果，當(dāng) pH大于 11時(shí)，加入一定量的堿，不會(huì)引起pH值的明顯變化，這是堿基烯醇式羥基解離的結(jié)果。在 pH4～ 11之間，堿基的可解離基團(tuán)不可滴定，一個(gè)合理的解釋是 DNA形成雙鏈， 有關(guān)基團(tuán)參與了氫鍵的形成 。若分別從pH2和 pH12將 DNA溶液滴定到 pH7，可得圖中的曲線 II，非緩沖區(qū)在 pH6～ 9之間，說明只有當(dāng) pH大于 6和小于 9時(shí)，單鏈的 DNA才能形成雙鏈。 * 1953年 Watson和Crick提出 DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，從此，核酸的研究成了生命科學(xué)中最活躍的領(lǐng)域之一。 DNA結(jié)構(gòu)： 1962生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)： 1962化學(xué)獎(jiǎng) DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的要點(diǎn) (1) DNA分子由 兩條方向相反的平行多核苷酸鏈 構(gòu)成，一條鏈的 539。末端與另一條鏈的 339。末端相對(duì)，兩條鏈的糖 磷酸交替排列形成的主鏈沿共同的螺旋軸扭曲成右手螺旋 (圖 216)。 (2) 兩條鏈上的堿基均在主鏈內(nèi)側(cè)，一條鏈上的 A一定與另一條鏈上的 T配對(duì)， G一定與 C配對(duì)。根據(jù)分子模型計(jì)算，一條鏈上的嘌呤堿必須與另一條鏈上的嘧啶堿相匹配，其距離才正好與雙螺旋的直徑相吻合。根據(jù)堿基構(gòu)象研究的結(jié)果， A與T配對(duì)形成 2個(gè)氫鍵， G與 C 配對(duì)形成 3個(gè)氫鍵 (圖 217)。由于堿基對(duì)的大小基本相同，所以無論堿基序列如何，雙螺旋 DNA分子整個(gè)長(zhǎng)度的直徑相同， 螺旋直徑為 2nm。 堿基之間的配對(duì)關(guān)系稱 堿基配對(duì) (base pairing)，根據(jù)堿基配對(duì)的原則，在一條鏈的堿基序列被確定后，另一條鏈必然有相對(duì)應(yīng)的堿基序列。如果DNA的兩條鏈分開，任何一條鏈都能夠按堿基配對(duì)的規(guī)律合成與之互補(bǔ)的另一條鏈。即由一個(gè)親代 DNA分子合成兩個(gè)與親代 DNA完全相同的子代分子。事實(shí)上， Watson和 Crick在提出雙螺旋結(jié)構(gòu)模型時(shí)，已經(jīng)考慮到 DNA復(fù)制問題，并很快提出了半保留復(fù)制假說。 (3) 成對(duì)堿基大致處于同一平面，該平面與螺旋軸基本垂直。糖環(huán)平面與螺旋軸基本平行，磷酸基連在糖環(huán)的外側(cè)。相鄰堿基對(duì)平面間的距離為 ，該距離使堿基平面間的 π電子云可在一定程度上互相交蓋，形成 堿基堆積力 (base stacking force)。雙螺旋每轉(zhuǎn)一周有10個(gè)堿基對(duì)，每轉(zhuǎn)的高度(螺距 )為 (圖 218)。DNA分子的大小常用堿基對(duì)數(shù) (base pair, bp)表示，而單鏈分子的大小則常用堿基數(shù) (base, b)，或核苷酸數(shù)(nucleotide, nt)來表示。 由于雙螺旋每轉(zhuǎn)一周有 10個(gè)堿基對(duì)，相鄰堿基平面之間會(huì)繞著雙螺旋的螺旋軸旋轉(zhuǎn) 36o，或者說，堿基平面之間有 36o的錯(cuò)位，這不利于形成堿基堆積力。對(duì) DNA空間結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成堿基對(duì)的兩個(gè)堿基平面之間有圖 219所示的 螺旋槳式的扭曲 (propeller twisting)，這種扭曲可以使相鄰堿基平面之間的重疊面增加，有利于提高分子的堿基堆積力。 Helical twist and propeller twist in DNA. (a) Successive base pairs in BDNA show a rotation with respect to each other (socalled helical twist) of 36176。 or so, as viewed down the cylindrical axis of the DNA. (b) Rotation in a different dimension— propellor twist—allows the hydrophobic surfaces of bases to overlap better. The view here is edgeon to two successive bases in one DNA strand (as if the two bases on the righthand strand of DNA in (a) were viewed from the righthand margin of the page。 dots represent endon views down the glycosidic bonds). Clockwise rotation (as shown here) has a positive sign. (c) The two bases on the lefthand strand of DNA in (a) also show positive propellor twist (a clockwise rotation of the two bases in (a) as viewed from the lefthand margin of the paper). (4) 由于堿基對(duì)的糖苷鍵有一定的鍵角，使兩個(gè)糖苷鍵之間的窄角為 120o，廣角為240o。堿基對(duì)因而向兩條主鏈的一側(cè)突出， 堿基對(duì)上下堆積起來，窄角的一側(cè)形成 小溝(minor groove)，其寬度為 。 廣角的一側(cè)形成 大溝 (major groove), 其寬度為。因此， DNA雙螺旋的表面可看到一條連續(xù)的大溝，和一條連續(xù)的小溝 (圖 220)。 大溝和小溝可以特異性地與蛋白質(zhì)相互作用。 特別是在大溝處， AT， TA，GC和 CG的有關(guān)基團(tuán)分布各不相同，可以提供與蛋白質(zhì)相互識(shí)別的豐富信息。 Watson–Crick A : T and G : C base pairs. All H bonds in both base pairs are straight, with each H atom pointing directly at its acceptor N or O atom. Linear H bonds are the strongest. The mandatory binding of larger purines with smaller pyrimidines leads to base pairs that have virtually identical dimensions, allowing the two sugar– phosphate backbones to adopt identical helical conformations. (5) 大多數(shù)天然 DNA屬雙鏈DNA(doublestranded DNA, dsDNA)，某些病毒如 ΦX174和 M13的 DNA為單鏈 DNA(singlestranded DNA, ssDNA)。 (6) 雙鏈 DNA分子主鏈上的化學(xué)鍵受堿基配對(duì)等因素影響旋轉(zhuǎn)受到限制，使 DNA分子比較剛硬，呈比較伸展的結(jié)構(gòu)。但 一些化學(xué)鏈亦可在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn) ，使 DNA分子有一定的柔韌性。按照 Watson和 Crick提出的 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，相鄰堿基平面之間會(huì)旋轉(zhuǎn) 36o的角度，但Dickerson等研究人工合成的 12bp DNA的空間結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)相鄰堿基平面之間的旋轉(zhuǎn)角度可在 28o～ 42o的之間變動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，雙螺旋結(jié)構(gòu)可以發(fā)生一定的變化而形成不同的類型，亦可進(jìn)一步扭曲成三級(jí)結(jié)構(gòu)。 DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)的其它類型 Watson和 Crick依據(jù)相對(duì)濕度 92%的 DNA鈉鹽所得到的 X射線衍射圖提出的雙螺旋結(jié)構(gòu)稱 BDNA(B form DNA)，細(xì)胞內(nèi)的 DNA與 BDNA非常相似。相對(duì)濕度為 75%的 DNA鈉鹽結(jié)構(gòu)有所不同，稱 ADNA(A form DNA)， ADNA的堿基平面傾斜了 20o，螺距和每一轉(zhuǎn)的堿基對(duì)數(shù)目變化如表 22所示。 ADNA與 RNA分子中的雙螺旋區(qū) ，以及 DNARNA雜合雙鏈分子 在溶液中的構(gòu)象很接近，因此推測(cè) 基因轉(zhuǎn)錄 時(shí)， DNA分子發(fā)生 BDNA → ADNA的轉(zhuǎn)變。 在 ADNA和 BDNA中堿基均以反式構(gòu)象存在，但二者的糖環(huán)構(gòu)象不同， BDNA為 C239。endo構(gòu)象，而 ADNA為 C339。endo構(gòu)象。 ADNA的堿基平面因此而傾斜了 20176。 ，同時(shí)，分子表面的大溝變得狹而深，小溝變得寬而淺。 1979年底 Rich等將人工合成的 DNA片段 d(CpGpCpGpCpGp)制成晶體，并進(jìn)行了 X射線衍射分析 (分辨是 )，證明此片段糖 磷酸主鏈形成鋸齒形 (zigzag)的左手螺旋，命名為 ZDNA(Z form DNA)。 ZDNA直徑約 ，螺旋的每轉(zhuǎn)含 12個(gè)堿基對(duì)，整個(gè)分子比較細(xì)長(zhǎng)而伸展，其堿基對(duì)偏離中心軸，靠近螺旋外側(cè)，螺旋的表面只有小溝沒有大溝。 在 ZDNA中，嘌呤核苷酸的糖環(huán)為 C339。endo構(gòu)象，嘧啶核苷酸的糖環(huán)為 C239。endo構(gòu)象，嘌呤核苷酸為順式構(gòu)象，嘧啶核苷酸為反式構(gòu)象。 Rich等還發(fā)現(xiàn)用熒光化合物標(biāo)記 ZDNA特異性 抗體 與果蠅唾液腺染色體的許多部位結(jié)合，在鼠類和各種植物的完整細(xì)胞核等自然體系中也找到了含有 ZDNA的區(qū)域。說明在天然 DNA中確有 ZDNA ，且執(zhí)行著某種細(xì)胞功能。 在接近生理?xiàng)l件的鹽濃度時(shí)， 甲基化 的 d(GC)n 可以從 B型結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?Z型結(jié)構(gòu)。已知當(dāng)雙螺旋 DNA處于高度甲基化的狀態(tài)時(shí)，基因表達(dá)一般受到抑制，反之則得到加強(qiáng)，說明 BDNA與 ZDNA的相互轉(zhuǎn)換 可能和基因表達(dá)的調(diào)控有關(guān) 。 Comparison of the deoxyguanosine conformation in B and ZDNA. In BDNA, the Cl39。–N9 glycosyl bond is always in the anti position (left). In contrast, in the lefthanded ZDNA structure, this bond rotates (as shown) to adopt the syn conformation. ZDNA存在的條件： （ 1） 高鹽： NaCl 2Mol/L, MgCl2 Mol/L （ 2） Pu, Py相間排列